Cheminformatic studies of molecular properties and their influence on bioactivity in the context of drug discovery

Molecular shape has long been known to be an important property for the process of molecular recognition. Previous studies postulated the existence of a drug-like shape space that could be used to artificially bias the composition of screening libraries, with the aim to increase the chance of success in Hit Identification. In this work, it was analysed to which extend this assumption holds true. Normalized Principal Moments of Inertia Ratios (NPRs) have been used to describe the molecular shape of small molecules. It was investigated, whether active molecules of diverse targets are located in preferred subspaces of the NPR shape space. Results illustrated a significantly stronger clustering than could be expected by chance, with parts of the space unlikely to be occupied by active compounds. Furthermore, a strong enrichment of elongated, rather flat shapes could be observed, while globular compounds were highly underrepresented. This was confirmed for a wide range of small molecule datasets from different origins. Active compounds exhibited a high overlap in their shape distributions across different targets, making a purely shape­ based discrimination very difficult. An additional perspective was provided by comparing the shapes of protein binding pockets with those of their respective ligands. Although more globular than their ligands, it was observed that binding sites shapes exhibited a similarly skewed distribution in shape space: spherical shapes were highly underrepresented. This was different for unoccupied binding pockets of smaller size. These were on the contrary identified to possess a more globular shape. The relation between shape complementarity and exhibited bioactivity was analysed; a moderate correlation between bioactivity and parameters including pocket coverage, distance in shape space, and others could be identified, which reflects the importance of shape complementarity. However, this also suggests that other aspects are of relevance for molecular recognition. A subsequent analysis assessed if and how shape and volume information retrieved from pocket or respective reference ligands could be used as a pre-filter in a virtual screening approach. ln Lead Optimization compounds need to get optimized with respect to a variety of pararneters. Here, the availability of past success stories is very valuable, as they can guide medicinal chemists during their analogue synthesis plans. However, although of tremendous interest for the public domain, so far only large corporations had the ability to mine historical knowledge in their proprietary databases. With the aim to provide such information, the SwissBioisostere database was developed and released during this thesis. This database contains information on 21,293,355 performed substructural exchanges, corresponding to 5,586,462 unique replacements that have been measured in 35,039 assays against 1,948 molecular targets representing 30 target classes, and on their impact on bioactivity . A user-friendly interface was developed that provides facile access to these data and is accessible at http//www.swissbioisostere.ch. The ChEMBL database was used as primary data source of bioactivity information. Matched molecular pairs have been identified in the extracted and cleaned data. Success-based scores were developed and integrated into the database to allow re-ranking of proposed replacements by their past outcomes. It was analysed to which degree these scores correlate with chemical similarity of the underlying fragments. An unexpectedly weak relationship was detected and further investigated. Use cases of this database were envisioned, and functionalities implemented accordingly: replacement outcomes are aggregatable at the assay level, and it was shawn that an aggregation at the target or target class level could also be performed, but should be accompanied by a careful case-by-case assessment. It was furthermore observed that replacement success depends on the activity of the starting compound A within a matched molecular pair A-B. With increasing potency the probability to lose bioactivity through any substructural exchange was significantly higher than in low affine binders. A potential existence of a publication bias could be refuted. Furthermore, often performed medicinal chemistry strategies for structure-activity-relationship exploration were analysed using the acquired data. Finally, data originating from pharmaceutical companies were compared with those reported in the literature. It could be seen that industrial medicinal chemistry can access replacement information not available in the public domain. In contrast, a large amount of often-performed replacements within companies could also be identified in literature data. Preferences for particular replacements differed between these two sources. The value of combining different endpoints in an evaluation of molecular replacements was investigated. The performed studies highlighted furthermore that there seem to exist no universal substructural replacement that always retains bioactivity irrespective of the biological environment. A generalization of bioisosteric replacements seems therefore not possible. - La forme tridimensionnelle des molécules a depuis longtemps été reconnue comme une propriété importante pour le processus de reconnaissance moléculaire. Des études antérieures ont postulé que les médicaments occupent préférentiellement un sous-ensemble de l'espace des formes des molécules. Ce sous-ensemble pourrait être utilisé pour biaiser la composition de chimiothèques à cribler, dans le but d'augmenter les chances d'identifier des Hits. L'analyse et la validation de cette assertion fait l'objet de cette première partie. Les Ratios de Moments Principaux d'Inertie Normalisés (RPN) ont été utilisés pour décrire la forme tridimensionnelle de petites molécules de type médicament. Il a été étudié si les molécules actives sur des cibles différentes se co-localisaient dans des sous-espaces privilégiés de l'espace des formes. Les résultats montrent des regroupements de molécules incompatibles avec une répartition aléatoire, avec certaines parties de l'espace peu susceptibles d'être occupées par des composés actifs. Par ailleurs, un fort enrichissement en formes allongées et plutôt plates a pu être observé, tandis que les composés globulaires étaient fortement sous-représentés. Cela a été confirmé pour un large ensemble de compilations de molécules d'origines différentes. Les distributions de forme des molécules actives sur des cibles différentes se recoupent largement, rendant une discrimination fondée uniquement sur la forme très difficile. Une perspective supplémentaire a été ajoutée par la comparaison des formes des ligands avec celles de leurs sites de liaison (poches) dans leurs protéines respectives. Bien que plus globulaires que leurs ligands, il a été observé que les formes des poches présentent une distribution dans l'espace des formes avec le même type d'asymétrie que celle observée pour les ligands: les formes sphériques sont fortement sous­ représentées. Un résultat différent a été obtenu pour les poches de plus petite taille et cristallisées sans ligand: elles possédaient une forme plus globulaire. La relation entre complémentarité de forme et bioactivité a été également analysée; une corrélation modérée entre bioactivité et des paramètres tels que remplissage de poche, distance dans l'espace des formes, ainsi que d'autres, a pu être identifiée. Ceci reflète l'importance de la complémentarité des formes, mais aussi l'implication d'autres facteurs. Une analyse ultérieure a évalué si et comment la forme et le volume d'une poche ou de ses ligands de référence pouvaient être utilisés comme un pré-filtre dans une approche de criblage virtuel. Durant l'optimisation d'un Lead, de nombreux paramètres doivent être optimisés simultanément. Dans ce contexte, la disponibilité d'exemples d'optimisations réussies est précieuse, car ils peuvent orienter les chimistes médicinaux dans leurs plans de synthèse par analogie. Cependant, bien que d'un extrême intérêt pour les chercheurs dans le domaine public, seules les grandes sociétés pharmaceutiques avaient jusqu'à présent la capacité d'exploiter de telles connaissances au sein de leurs bases de données internes. Dans le but de remédier à cette limitation, la base de données SwissBioisostere a été élaborée et publiée dans le domaine public au cours de cette thèse. Cette base de données contient des informations sur 21 293 355 échanges sous-structuraux observés, correspondant à 5 586 462 remplacements uniques mesurés dans 35 039 tests contre 1948 cibles représentant 30 familles, ainsi que sur leur impact sur la bioactivité. Une interface a été développée pour permettre un accès facile à ces données, accessible à http:/ /www.swissbioisostere.ch. La base de données ChEMBL a été utilisée comme source de données de bioactivité. Une version modifiée de l'algorithme de Hussain et Rea a été implémentée pour identifier les Matched Molecular Pairs (MMP) dans les données préparées au préalable. Des scores de succès ont été développés et intégrés dans la base de données pour permettre un reclassement des remplacements proposés selon leurs résultats précédemment observés. La corrélation entre ces scores et la similarité chimique des fragments correspondants a été étudiée. Une corrélation plus faible qu'attendue a été détectée et analysée. Différents cas d'utilisation de cette base de données ont été envisagés, et les fonctionnalités correspondantes implémentées: l'agrégation des résultats de remplacement est effectuée au niveau de chaque test, et il a été montré qu'elle pourrait également être effectuée au niveau de la cible ou de la classe de cible, sous réserve d'une analyse au cas par cas. Il a en outre été constaté que le succès d'un remplacement dépend de l'activité du composé A au sein d'une paire A-B. Il a été montré que la probabilité de perdre la bioactivité à la suite d'un remplacement moléculaire quelconque est plus importante au sein des molécules les plus actives que chez les molécules de plus faible activité. L'existence potentielle d'un biais lié au processus de publication par articles a pu être réfutée. En outre, les stratégies fréquentes de chimie médicinale pour l'exploration des relations structure-activité ont été analysées à l'aide des données acquises. Enfin, les données provenant des compagnies pharmaceutiques ont été comparées à celles reportées dans la littérature. Il a pu être constaté que les chimistes médicinaux dans l'industrie peuvent accéder à des remplacements qui ne sont pas disponibles dans le domaine public. Par contre, un grand nombre de remplacements fréquemment observés dans les données de l'industrie ont également pu être identifiés dans les données de la littérature. Les préférences pour certains remplacements particuliers diffèrent entre ces deux sources. L'intérêt d'évaluer les remplacements moléculaires simultanément selon plusieurs paramètres (bioactivité et stabilité métabolique par ex.) a aussi été étudié. Les études réalisées ont souligné qu'il semble n'exister aucun remplacement sous-structural universel qui conserve toujours la bioactivité quel que soit le contexte biologique. Une généralisation des remplacements bioisostériques ne semble donc pas possible.

Spatial variation in the temporal change of male and female melanic ornamentation in the barn owl.

Because the magnitude of selection can vary between sexes and in space and time, sexually antagonistic selection is difficult to demonstrate. In a Swiss population of barn owls (Tyto alba), a heritable eumelanic colour trait (size of black spots on ventral feathers) was positively selected with respect to yearling survival only in females. It remains unclear whether the absence of negative selection in males is typical in this species. To tackle this issue indirectly, we measured the size of black spots in 1733 skin specimens collected by museums from 1816 to 2001 in seven European countries and in the Middle-East. The temporal change in spot size was sex- and country-specific. In males, spots became smaller particularly in three countries (Middle-East, Italy and Switzerland). In females, the size of spots increased significantly in two countries (UK and Spain) and decreased in two others (Germany and Switzerland). Because migration and phenotypic plasticity cannot explain these results, selection is the most likely cause. The weaker temporal change in spot size in females than males may be because of the combined effect of strong genetic correlation between the sexes and stronger negative selection in males than positive selection in females. We thus suggest that in the barn owl, spot size (or genetically correlated traits) is sexually antagonistically selected and that its pattern of selection may account for the maintenance of its variation and sexual dimorphism.

Canonical Noether symmetries and commutativity properties for gauge systems

For a dynamical system defined by a singular Lagrangian, canonical Noether symmetries are characterized in terms of their commutation relations with the evolution operators of Lagrangian and Hamiltonian formalisms. Separate characterizations are given in phase space, in velocity space, and through an evolution operator that links both spaces. 2000 American Institute of Physics.

Mode decomposition and renormalization in semiclassical gravity

We compute the influence action for a system perturbatively coupled to a linear scalar field acting as the environment. Subtleties related to divergences that appear when summing over all the modes are made explicit and clarified. Being closely connected with models used in the literature, we show how to completely reconcile the results obtained in the context of stochastic semiclassical gravity when using mode decomposition with those obtained by other standard functional techniques.

Quantum fluctuations on domain walls, strings, and vacuum bubbles

We develop a covariant quantum theory of fluctuations on vacuum domain walls and strings. The fluctuations are described by a scalar field defined on the classical world sheet of the defects. We consider the following cases: straight strings and planar walls in flat space, true vacuum bubbles nucleating in false vacuum, and strings and walls nucleating during inflation. The quantum state for the perturbations is constructed so that it respects the original symmetries of the classical solution. In particular, for the case of vacuum bubbles and nucleating strings and walls, the geometry of the world sheet is that of a lower-dimensional de Sitter space, and the problem reduces to the quantization of a scalar field of tachyonic mass in de Sitter space. In all cases, the root-mean-squared fluctuation is evaluated in detail, and the physical implications are briefly discussed.

Superconducting p-branes and extremal black holes

In Einstein-Maxwell theory, magnetic flux lines are "expelled" from a black hole as extremality is approached, in the sense that the component of the field strength normal to the horizon goes to zero. Thus, extremal black holes are found to exhibit the sort of ¿Meissner effect¿ which is characteristic of superconducting media. We review some of the evidence for this effect and present new evidence for it using recently found black hole solutions in string theory and Kaluza-Klein theory. We also present some new solutions, which arise naturally in string theory, which are non-superconducting extremal black holes. We present a nice geometrical interpretation of these effects derived by looking carefully at the higher dimensional configurations from which the lower dimensional black hole solutions are obtained. We show that other extremal solitonic objects in string theory (such as p-branes) can also display superconducting properties. In particular, we argue that the relativistic London equation will hold on the world volume of ¿light¿ superconducting p-branes (which are embedded in flat space), and that minimally coupled zero modes will propagate in the adS factor of the near-horizon geometries of "heavy," or gravitating, superconducting p-branes.

Data-driven clustering : new methods and applications

Abstract : This work is concerned with the development and application of novel unsupervised learning methods, having in mind two target applications: the analysis of forensic case data and the classification of remote sensing images. First, a method based on a symbolic optimization of the inter-sample distance measure is proposed to improve the flexibility of spectral clustering algorithms, and applied to the problem of forensic case data. This distance is optimized using a loss function related to the preservation of neighborhood structure between the input space and the space of principal components, and solutions are found using genetic programming. Results are compared to a variety of state-of--the-art clustering algorithms. Subsequently, a new large-scale clustering method based on a joint optimization of feature extraction and classification is proposed and applied to various databases, including two hyperspectral remote sensing images. The algorithm makes uses of a functional model (e.g., a neural network) for clustering which is trained by stochastic gradient descent. Results indicate that such a technique can easily scale to huge databases, can avoid the so-called out-of-sample problem, and can compete with or even outperform existing clustering algorithms on both artificial data and real remote sensing images. This is verified on small databases as well as very large problems. Résumé : Ce travail de recherche porte sur le développement et l'application de méthodes d'apprentissage dites non supervisées. Les applications visées par ces méthodes sont l'analyse de données forensiques et la classification d'images hyperspectrales en télédétection. Dans un premier temps, une méthodologie de classification non supervisée fondée sur l'optimisation symbolique d'une mesure de distance inter-échantillons est proposée. Cette mesure est obtenue en optimisant une fonction de coût reliée à la préservation de la structure de voisinage d'un point entre l'espace des variables initiales et l'espace des composantes principales. Cette méthode est appliquée à l'analyse de données forensiques et comparée à un éventail de méthodes déjà existantes. En second lieu, une méthode fondée sur une optimisation conjointe des tâches de sélection de variables et de classification est implémentée dans un réseau de neurones et appliquée à diverses bases de données, dont deux images hyperspectrales. Le réseau de neurones est entraîné à l'aide d'un algorithme de gradient stochastique, ce qui rend cette technique applicable à des images de très haute résolution. Les résultats de l'application de cette dernière montrent que l'utilisation d'une telle technique permet de classifier de très grandes bases de données sans difficulté et donne des résultats avantageusement comparables aux méthodes existantes.

Endocytosis, autophagy and JNK inhibition in neuroprotection against excitotoxicity and neonatal cerebral ischemia

Abstract : Neonatal stroke occurs in 1 out of 4000 live births and usually leads to serious motor and cognitive disabilities. Ischemic brain injury results from a complex of pathophysiological events that evolve over space and time making it difficult to devise successful therapy. To date, there are no effective treatments for perinatal brain damage. Most clinical trials of neuroprotectaot drugs have failed because of their side-effects. For this reason it is important to find ways to target drugs specifically into the stressed cells. In this study we plan to contribute to the development of an efficient neuroprotective strategy against excitotoxic cell death in the neonate. In order to achieve this goal, several strategies were followed. A recently described phenomenon of induced endocytosis associated with excitotoxicity was more deeply investigated. As a simplified model we used dissociated cortical neurons exposed to an excitotoxic dose of NMDA, and we showed that this phenomenon depends on clathrin and dynamin. Using a model of neonatal focal cerebral ischemia, we demonstrated that the excitotoxicity-related endocytosis targets molecules such as TAT peptides into stressed neurons. These appear to be viable, raising the possibility of using this phenomenon as a doorway for neuroprotection. One part of the project was devoted to the study of the TAT-conjugated JNK inhibitory peptide, D-JNKI1. Adose-response study showed strong neuroprotection over a wide dose-range in the case of delayed administration (either intravenous or intraperitoneal). Since D-JNKI1 is aTAT-linked peptide, we investigated the role of its own NMDA-induced endocytosis in its neuroprotective efficacy. Furthermore, we showed that this endocytosis is JNK dependent, and that D-JNKI1 regulates its own uptake. We additionally studied the different types of cell death involved in a model of neonatal focal cerebral ischemia. Necrosis occurred rapidly in the center of the lesion whereas apoptosis and autophagic cell death occurred late at the lesion border. Inhibiting apoptosis was not protective, but use of autophagy inhibitor 3methyladenine provided a strong neuroprotection. Finally, combining two neuroprotectants that target different intracellular pathways was neuroprotective in a severe model of cerebral ischemia where neither of the drugs was efficient when administered individually. Résumé : L'ischémie néonatale connaît une incidence de 1 naissance sur 4000, entraînant généralement de sérieux dysfonctionnements moteurs et cognitifs. L'ischémie cérébrale résulte d'évènements physiopathologiques complexes qui évoluent dans l'espace et le temps rendant difficile la conception de thérapies efficaces. A l'heure actuelle, aucun traitement n'existe pour lutter contre les accidents vasculaires cérébraux qui se produisent autour de la naissance. La plupart des essais cliniques concernant des molécules neuroprotectrices ont échoué du fait de leurs effets secondaires néfastes. Pour cette raison, il est important de trouver des moyens de cibler les drogues dans les cellules stressées spécifiquement. Dans cette étude nous visons à participer au développement d'une stratégie neuroprotectrice efficace contre l'ischémie cérébrale chez le nouveau-né. Dans ce but, plusieurs stratégies ont été poursuivies. Un nouveau phénomène d'endocytose induite par un stimulus excitotoxique a été récemment décrit. Une partie de cette étude va consister à mieux comprendre ce phénomène. Pour céla, nous avons utilisé comme modèle d'étude simplifié des cultures dissociées de neurones corticaux exposées à une dose excitotoxique de NMDA. Nous avons ainsi montré que cette endocytose associée à l'excitotoxicité dépend de la clathrine et de la dynamine. A l'aide d'un modèle d'ischémie cérébrale focale chez le raton de 12 jours, nous avons démontré que cette endocytose induite par l'excitotoxicité permet de cibler des molécules diverses et en particulier les peptides TAT dans les neurones stressés. Ces neurones fortement endocytiques apparaissent comme étant encore viables, ouvrant la possibilité d'utiliser cette endocytose comme moyen d'entrée pour des molécules thérapeutiques. Une partie du projet a été consacrée à l'étude d'un inhibiteur de la voie JNK, couplé au TAT, appelé D-JNKI1. Des études de dose réponse du D-JNKI1 ont été réalisées chez l'animal, testant les effets d'une administration retardée en injection intraveineuse ou intra péritonéale. Ces études démontrent qu'une large gamme de dose permet d'obCenir une réduction de la taille de la lésion. Comme D-JNK11 est couplé au peptide TAT, nous avons étudié la contribution que sa propre endocytose lors de l'excitotoxicité apporte à ses effets protecteurs. Par ailleurs, nous avons montré que cette endocytose induite par l'excitotoxicité dépend de la voie de signalisation JNK et que D-JNK11 est donc capable de réguler sa propre entrée. Nous avons en parallèle étudié les différents types de mort cellulaires impliqués dans le développement de la lésion dans un modèle sévère d'ischémie cérébrale chez le raton nouveau-né. La mort cellulaire par nécrose se développe rapidement dans le centre de la lésion alors que les morts cellulaires par apoptose et autophagique vont apparaître plus tard et au bord de la lésion. Inhiber l'apoptose n'a pas permis de réduire la taille de la lésion alors que l'utilisation d'un inhibiteur d'autophagie, la 3-méthyladénine, procure une forte neuroprotection. Finalement, la combinaison de deux peptides qui ciblent différentes voies de signalisation intracellulaire permet d'obtenir une bonne protection dans le modèle d'ischémie sévère dans lequel aucun des deux peptides administré séparément n'a donné d'effets bénéfiques.

The First World War and coal trade geography in Latin America and the Caribbean (1890-1930)

This paper aims to illustrate the dynamics of coal trade between Latin America and its main trade partners, i.e. the USA, Great Britain and Germany, before and after the enormous disruption caused by the First World War. The coal trade was used as an indicator of modernization for Latin American countries, given that oil was at that time of secondary importance. Energy imports have determined the possibilities of each Latin American country in its process of development. Here we address this question and place special emphasis on supply channels, concluding that the trade link with main suppliers was of key significance. Although this was very clear by the end of the period, the process had started well before the First World War, at least for the majority of LA&C countries. These points are developed through a gravity model applied to the bilateral coal trade. The importance of the market supplier share is addressed through cluster methodologies.

Mixed mating in androdioecious Mercurialis annua inferred using progeny arrays and diploid-acting microsatellite loci in a hexaploid background.

Background and Aims The frequency at which males can be maintained with hermaphrodites in androdioecious populations is predicted to depend on the selfing rate, because self-fertilization by hermaphrodites reduces prospective siring opportunities for males. In particular, high selfing rates by hermaphrodites are expected to exclude males from a population. Here, the first estimates are provided of the mating system from two wild hexaploid populations of the androdioecious European wind-pollinated plant M. annua with contrasting male frequencies.Methods Four diploid microsatellite loci were used to genotype 19-20 progeny arrays from two populations of M. annua, one with males and one without. Mating-system parameters were estimated using the program MLTR.Key Results Both populations had similar, intermediate outcrossing rates (t(m) = 0.64 and 0.52 for the population with and without males, respectively). The population without males showed a lower level of correlated paternity and biparental inbreeding and higher allelic richness and gene diversity than the population with males.Conclusions The results demonstrate the utility of new diploid microsatellite loci for mating system analysis in a hexaploid plant. It would appear that androdioecious M. annua has a mixed-mating system in the wild, an uncommon finding for wind-pollinated species. This study sets a foundation for future research to assess the relative importance of the sexual system, plant-density variation and stochastic processes for the regulation of male frequencies in M. annua over space and time.

Extent and limitations of density functional theory in describing magnetic systems

The performance of density-functional theory to solve the exact, nonrelativistic, many-electron problem for magnetic systems has been explored in a new implementation imposing space and spin symmetry constraints, as in ab initio wave function theory. Calculations on selected systems representative of organic diradicals, molecular magnets and antiferromagnetic solids carried out with and without these constraints lead to contradictory results, which provide numerical illustration on this usually obviated problem. It is concluded that the present exchange-correlation functionals provide reasonable numerical results although for the wrong physical reasons, thus evidencing the need for continued search for more accurate expressions.

Extent and limitations of density functional theory in describing magnetic systems

The performance of density-functional theory to solve the exact, nonrelativistic, many-electron problem for magnetic systems has been explored in a new implementation imposing space and spin symmetry constraints, as in ab initio wave function theory. Calculations on selected systems representative of organic diradicals, molecular magnets and antiferromagnetic solids carried out with and without these constraints lead to contradictory results, which provide numerical illustration on this usually obviated problem. It is concluded that the present exchange-correlation functionals provide reasonable numerical results although for the wrong physical reasons, thus evidencing the need for continued search for more accurate expressions.

Plate tectonics of the Altaids

Abstract: The Altaids consist in a huge accretionary-type belt extending from Siberia through Mon-golia, northern China, Kyrgyzstan and Kazakhstan. They were formed from the Vendian through the Jurassic by the accretion of numerous displaced and exotic terranes (e.g. island arc, ribbon microcontinent, seamount, basaltic plateau, back-arc basin). The number, nature and origin of the terranes differ according to the palaeotectonic models of the different authors. Thanks to a geo- dynamic study (i.e. definition of tectonic settings and elaboration of geodynamic scenarios) and plate tectonics modelling, this work aims to present an alternative model explaining the Palaeozoic palaeotectonic evolution of the Altaids. Based on a large set of compiled geological data related to palaeogeography and geodyna¬mic (e.g. sedimentology, stratigraphy, palaeobiogeography, palaeomagnetism, magmatism, me- tamorphism, tectonic...), a partly new classification of the terranes and sutures implicated in the formation of the Altaids is proposed. In the aim to elaborate plate tectonics reconstructions, it is necessary to fragment the present arrangement of continents into consistent geological units. To avoid confusion with existing terminology (e.g. tectonic units, tectono-stratigraphic units, micro- continents, terranes, blocks...), the new concept of "Geodynamic Units (GDU)" was introduced. A terrane may be formed by a set of GDUs. It consists of a continental and/or oceanic fragment which has its own kinematic and geodynamic evolution for a given period. With the same ap-proach, the life span and type of the disappeared oceans is inferred thanks to the study of the mate-rial contained in suture zones. The interpretation of the tectonic settings within the GDUs comple-ted by the restoration of oceans leads to the elaboration of geodynamic scenarios. Since the Wilson cycle was presented in 1967, numerous works demonstrated that the continental growth is more complex and results from diverse geodynamic scenarios. The identification of these scenarios and their exploitation enable to elaborate plate tectonics models. The models are self-constraining (i.e. space and time constraints) and contest or confirm in turn the geodynamic scenarios which were initially proposed. The Altaids can be divided into three domains: (1) the Peri-Siberian, (2) the Kazakhstan, and (3) the Tarim-North China domains. The Peri-Siberian Domain consists of displaced (i.e. Sayan Terrane Tuva-Mongolian, Lake-Khamsara Terrane) and exotic terranes (i.e. Altai-Mongolian and Khangai-Argunsky Terrane) accreted to Siberia from the Vendian through the Ordovician. Fol-lowing the accretion of these terranes, the newly formed Siberia active margin remained active un-til its part collision with the Kazakhstan Superterrane in the Carboniferous. The eastern part of the active margin (i.e. East Mongolia) continued to act until the Permian when the North-China Tarim Superterrane collided with it. The geodynamic evolution of the eastern part of the Peri-Siberian Domain (i.e. Eastern Mongolia and Siberia) is complicated by the opening of the Mongol-Okhotsk Ocean in the Silurian. The Kazakhstan Domain is composed of several continental terranes of East Gondwana origin amalgamated together during the Ordovician-Silurian time. After these different orogenic events, the Kazakhstan Superterrane evolved as a single superterrane until its collision with a Tarim-North China related-terrane (i.e. Tianshan-Hanshan Terrane) and Siberian Continent during the Devonian. This new organisation of the continents imply a continued active margin from Siberia, to North China through the Kazakhstan Superterrane and the closure of the Junggar- Balkash Ocean which implied the oroclinal bending of the Kazakhstan Superterrane during the entire Carboniferous. The formation history of the Tarim-North China Domain is less complex. The Cambrian northern passive margin became active in the Ordovician. In the Silurian, the South Tianshan back-arc Ocean was open and led to the formation of the Tianshan-Hanshan Terrane which collided with the Kazakhstan Superterrane during the Devonian. The collision between Siberia and the eastern part of the Tarim-North China continents (i.e. Inner Mongolia), implied by the closure of the Solonker Ocean, took place in the Permian. Since this time, the major part of the Altaids was formed, the Mongol-Okhotsk Ocean only was still open and closed during the Jurassic. Résumé: La chaîne des Altaïdes est une importante chaîne d'accrétion qui s'étend en Sibérie, Mon-golie, Chine du Nord, Kirghizstan et Kazakhstan. Elle s'est formée durant la période du Vendian au Jurassique par l'accrétion de nombreux terranes déplacés ou exotiques (par exemple arc océa-nique, microcontinent, guyot, plateau basaltique, basin d'arrière-arc...). Le nombre, la nature ou encore l'origine diffèrent selon les modèles paléo-tectoniques proposés par les différents auteurs. Grâce à une étude géodynamique (c'est-à-dire définition des environnements tectoniques et éla-boration de scénarios géodynamiques) et à la modélisation de la tectonique des plaques, ce travail propose un modèle alternatif expliquant l'évolution paléo-tectonique des Altaïdes. Basé sur une large compilation de données géologiques pertinentes en termes de paléo-géographie et de géodynamique (par exemple sédimentologie, stratigraphie, paléo-biogéographie, paléomagnétisme, magmatisme, métamorphisme, tectonique...), une nouvelle classification des terranes et des sutures impliqués dans la formation des Altaïdes est proposée. Dans le but d'élabo¬rer des reconstructions de plaques tectoniques, il est nécessaire de fragmenter l'arrangement actuel des continents en unités tectoniques cohérentes. Afin d'éviter les confusions avec la terminolo¬gie existante (par exemple unité tectonique, unité tectono-stratigraphique, microcontinent, block, terrane...), le nouveau concept d' "Unité Géodynamique (UGD)" a été introduit. Un terrane est formé d'une ou plusieurs UGD et représente un fragment océanique ou continental défini pas sa propre cinétique et évolution géodynamique pour une période donnée. Parallèlement, la durée de vie et le type des océans disparus (c'est-à-dire principal ou secondaire) est déduite grâce à l'étude du matériel contenu dans les zones de sutures. L'interprétation des environnements tectoniques des UGD associés à la restauration des océans mène à l'élaboration de scénarios géodynamiques. Depuis que le Cycle de Wilson a été présenté en 1967, de nombreux travaux ont démontré que la croissance continentale peut résulter de divers scénarios géodynamiques. L'identification et l'ex-ploitation de ces scénarios permet finalement l'élaboration de modèles de tectonique des plaques. Les modèles sont auto-contraignants (c'est-à-dire contraintes spatiales et temporelles) et peuvent soit contester ou confirmer les scénarios géodynamiques initialement proposés. Les Altaïdes peuvent être divisées en trois domaines : (1) le Domaine Péri-Sibérien, (2) le Domaine Kazakh, et (3) le Domaine Tarim-Nord Chinois. Le Domaine Péri-Sibérien est composé de terranes déplacés (c'est-à-dire Terrane du Sayan, Tuva-Mongol et Lake-Khamsara) et exotiques (c'est-à-dire Terrane Altai-Mongol et Khangai-Argunsky) qui ont été accrétés au craton Sibérien durant la période du Vendien à l'Ordovicien. Suite à l'accrétion de ces terranes, la marge sud-est de la Sibérie nouvellement formée reste active jusqu'à sa collision partielle avec le Superterrane Ka-zakh au Carbonifère. La partie est de la marge active (c'est-à-dire Mongolie de l'est) continue son activité jusqu'au Permien lors de sa collision avec le Superterrane Tarim-Nord Chinois. L'évolu¬tion géodynamique de la partie est du Domaine Sibérien est compliquée par l'ouverture Silurienne de l'Océan Mongol-Okhotsk qui disparaîtra seulement au Jurassique. Le Domaine Kazakh est composé de plusieurs terranes d'origine est-Gondwanienne accrétés les uns avec les autres avant ou pendant le Silurien inférieur et leurs evolution successive sous la forme d'un seul superterrane. Le Superterrane Kazakh collisione avec un terrane Tarim-Nord Chinois (c'est-à-dire Terrane du Tianshan-Hanshan) durant le Dévonien et le continent Sibérien au Dévonien supérieur. Ce nouvel agencement des plaques induit une marge active continue le long des continents Sibérien, Kazakh et Nord Chinois et la fermeture de l'Océan Junggar-Balkash qui provoque le plissement oroclinal du Superterrane Kazakh durant le Carbonifère. L'histoire de la formation du Domaine Tarim-Nord Chinois est moins complexe. La marge passive nord Cambrienne devient active à l'Ordovicien et l'ouverture Silurienne du bassin d'arrière-arc du Tianshan sud mène à la formation du terrane du Tianshan-Hanshan. La collision Dévonienne entre ce dernier et le Superterrane Kazakh provoque la fermerture de l'Océan Tianshan sud. Finalement, la collision entre la Sibérie et la partie est du continent Tarim-Nord Chinois (c'est-à-dire Mongolie Intérieure) prend place durant le Permien suite à la fermeture de l'Océan Solonker. La majeure partie des Altaïdes est alors formée, seul l'Océan Mongol-Okhotsk est encore ouvert. Ce dernier se fermera seulement au Jurassique.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.

Termination of major ductile strike-slip shear and differential cooling along the Insubric line (Central Alps): U-Pb, Rb-Sr and 40Ar/39Ar ages of cross-cutting pegmatites

To constrain the age of strike-slip shear, related granitic magmatism, and cooling along the Insubric line, 29 size fractions of monazite and xenotime were dated by the U-Pb method, and a series of 25 Rb-Sr and Ar-40/Ar-39 ages were measured on different size fractions of muscovite and biotite. The three pegmatitic intrusions analyzed truncate high-grade metamorphic mylonite gneisses of the Simplon shear zone, a major Alpine structure produced in association with dextral strike-slip movements along the southern edge of the European plate, after collision with its Adriatic indenter. Pegmatites and aplites were produced between 29 and 25 Ma in direct relation to right-lateral shear along the Insubric line, by melting of continental crust having Sr-87/Sr-86 between 0.7199 and 0.7244 at the time of melting. High-temperature dextral strike-slip shear was active at 29.2 +/- 0.2 (2 sigma) Ma, and it terminated before 26.4 +/- 0.1 Ma. During dike injection, temperatures in the country rocks of the Isorno-Orselina and Monte Rosa structural units did not exceed approximate to 500 degrees C, leading to fast initial cooling, followed by slower cooling to approximate to 350 degrees C within several million years. In one case, initial cooling to approximate to 500 degrees C was significantly delayed by about 4 m.y., with final cooling to approximate to 300 degrees C at 20-19 Ma in all units. For the period between 29 and 19 Ma, cooling of the three sample localities was non-uniform in space and time, with significant variations on the kilometre scale. These differences are most likely due to strongly varying heat flow, and/or heterogeneous distribution of unroofing rates within the continuously deforming Insubric line. If entirely ascribed to differences in unroofing, corresponding rates would vary between 0.5 and 2.5 mm/y, for a thermal gradient of 30 degrees/km.